DE102008018955B4 - Measurement architecture tailored to the current range for multi-level phase change memory - Google Patents

Measurement architecture tailored to the current range for multi-level phase change memory Download PDF

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Abstract

Speichervorrichtung, die aufweist:eine Speicherzelle (46), die mit einer Bitleitung (60, 62) und einer Wortleitung (56, 58) verkoppelt ist und die ein Phasenänderungsmaterial (98, 100) aufweist, wobei die Speicherzelle einen ersten Zellzustand, in dem sie einen hohen Widerstand hat, mindestens einen zweiten Zellzustand, in dem sie einen mittleren Widerstand hat, und einen dritten Zellzustand in dem sie einen niedrigen Widerstand hat, aufweist, wobei der hohe Widerstand höher als der mittlere Widerstand ist und der mittlere Widerstand höher als der niedrige Widerstand ist;einen Leseverstärker (118), der einen Bezugseingang aufweist zum Empfangen einer Bezugsspannung (VREF) und der an einen Messknoten (116) gekoppelt ist, um eine Spannung am Messknoten (116) relativ der Bezugsspannung (VREF) zu erfassen;eine Schaltung zum Anlegen der Bezugsspannung (VREF) an den Bezugseingang, wobei die Bezugsspannung in einer Abfolge von einem ersten Wert (VREF1), der verwendet wird, um zwischen dem ersten Zellzustand und dem zweiten Zellzustand zu unterscheiden, und einem zweiten Wert (VREF3), der verwendet wird, um zwischen dem zweiten Zellzustand und dem dritten Zellzustand zu unterscheiden, gewechselt wird;eine Schaltung (18), um die Bitleitung (60, 62) selektiv in Signalkommunikation mit dem Messknoten (116) zu bringen;eine Stromquelle (114), um einen Lesestrom zu erzeugen;einen Schalter (112), der angekoppelt ist, um selektiv den Lesestrom an den Messknoten (116) anzulegen; undeine Schaltung (100, 112), die mit dem Schalter (112) verkoppelt ist zum Steuern der Länge eines Lesestrompulses, wobei die Schaltung (110, 112) ansprechend auf ein Erfassen einer Schwellspannung am Messknoten (116), den Schalter (112) derart ansteuert, dass die elektrische Verbindung der Stromquelle (114) mit dem Messknoten (116) beendet wird, damit sich der Widerstandszustand der Speicherzelle durch den Lesestrompuls nicht ändert,wobei die Schwellspannung derart geschaltet wird, dass sie der Bezugsspannung entspricht, die in einem Lesezyklus an den Bezugseingang angelegt wird.A memory device comprising: a memory cell (46) coupled to a bit line (60, 62) and a word line (56, 58) and comprising a phase change material (98, 100), the memory cell having a first cell state in which it has a high resistance, at least a second cell state in which it has a medium resistance, and a third cell state in which it has a low resistance, the high resistance being higher than the mean resistance and the mean resistance being higher than that low resistance; a sense amplifier (118) having a reference input for receiving a reference voltage (VREF) and coupled to a sense node (116) for sensing a voltage at the sense node (116) relative to the reference voltage (VREF); a Circuit for applying the reference voltage (VREF) to the reference input, the reference voltage in a sequence of a first value (VREF1) which is used to switch between the ers th cell state and the second cell state, and a second value (VREF3), which is used to distinguish between the second cell state and the third cell state, is changed; a circuit (18) to the bit line (60, 62) selectively in signal communication with the measurement node (116); a power source (114) to generate a read current; a switch (112) coupled to selectively apply the read current to the measurement node (116); and a circuit (100, 112) coupled to the switch (112) for controlling the length of a read current pulse, wherein the circuit (110, 112), in response to a detection of a threshold voltage at the measuring node (116), the switch (112) such controls that the electrical connection between the current source (114) and the measuring node (116) is terminated so that the resistance state of the memory cell does not change due to the read current pulse, the threshold voltage being switched in such a way that it corresponds to the reference voltage that occurs in a read cycle the reference input is applied.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Gebiet der ErfindungField of invention

Die vorliegende Erfindung betrifft Speichervorrichtungen hoher Dichte auf der Basis von Phasenänderungs- bzw. Phasenwechsel-Speichermaterialien, und insbesondere Auslese- bzw. Messschaltungen für solche VorrichtungenThe present invention relates to high density memory devices based on phase change memory materials, and in particular to readout or measurement circuits for such devices

Beschreibung der verwandten TechnikDescription of the related art

Aus der Druckschrift US 2006/0146600 A1 ist ein Phasenänderungsspeicher und ein Verfahren zum Auslesen desselben bekannt, wobei Lese-Störungen in dem Phasenänderungsspeicher reduziert werden, indem die abfallenden Flanken des Leseimpulses progressiv verringert werden. Dies kann die Möglichkeit des Löschens und der unbeabsichtigten Amorphisierung von zumindest einem Teil des Phasenänderungsmaterials verringern.From the pamphlet US 2006/0146600 A1 a phase change memory and a method for reading out the same are known, read disturbances in the phase change memory being reduced by progressively reducing the falling edges of the read pulse. This can reduce the possibility of deletion and inadvertent amorphization of at least a portion of the phase change material.

Phasenänderungs- bzw. Phasenwechsel-Speichermaterialien werden in großem Umfang in optischen Schreib/Lese-Speicherplatten verwendet. Diese Materialien weisen mindestens zwei Festkörperphasen auf, einschließlich z. B. einer im Allgemeinen amorphen Festkörperphase und einer im Allgemeinen kristallinen Festkörperphase. Laserimpulse werden in optischen Schreib/Lese-Speicherplatten verwendet, um zwischen Phasen zu wechseln und um die optischen Eigenschaften des Materials nach der Phasenänderung zu lesen.Phase change storage materials are used extensively in read / write optical storage disks. These materials have at least two solid phases including e.g. B. a generally amorphous solid phase and a generally crystalline solid phase. Laser pulses are used in read / write optical disks to switch between phases and to read the optical properties of the material after the phase change.

Ein Phasenwechsel von Phasenänderungsmaterialien, wie Materialien auf Chalcogenidbasis und ähnliche Materialien, kann auch dadurch veranlasst werden, dass man elektrischen Strom mit Pegeln, die sich für die Implementierung in integrierten Schaltungen eignen, an diese anlegt. Die im Allgemeinen amorphe Phase ist durch eine höhere Resistivität als die im Allgemeinen kristalline Phase gekennzeichnet, was gemessen werden kann, um Daten anzuzeigen. Diese Eigenschaften machen die Verwendung von programmierbarem resistiven Material für die Ausbildung von nicht-flüchtigen Speicherschaltungen, die mit wahlfreiem Zugriff gelesen und beschrieben werden können, interessant.Phase change of phase change materials, such as chalcogenide based materials and similar materials, can also be induced by applying electrical power to them at levels suitable for implementation in integrated circuits. The generally amorphous phase is characterized by higher resistivity than the generally crystalline phase, which can be measured to display data. These properties make the use of programmable resistive material for the formation of non-volatile memory circuits, which can be read and written with random access, of interest.

Der Phasenwechsel zwischen amorpher und kristalliner Phase wird durch Steuern der Wärmeenergie, welcher das Phasenänderungsmaterial ausgesetzt wird, erreicht. Beispielsweise wird Der Phasenwechsel des Phasenänderungsmaterials aus der amorphen Phase in die kristalline Phase dadurch erreicht, dass dieses auf eine Temperatur zwischen der Glasübergangstemperatur des Phasenänderungsmaterials und der Schmelztemperatur aufgeheizt wird. Dies wird als „Setzen“ bezeichnet und findet während eines Betriebs mit relativ schwachem Strom statt. Der Phasenwechsel aus der kristallinen Phase in die amorphe Phase, das sogenannten „Zurücksetzen“, findet während eines Betriebs mit relativ starkem Strom statt, während dem ein Schmelzen des Phasenänderungsmaterials stattfindet, gefolgt von dessen schnellem Abkühlen auf unter seine Glasübergangstemperatur mit einer Rate, die eine Keimbildung und ein Wachsen von Kristalliten verringert oder gar verhindert. Zu diesem Zweck kann das Phasenänderungsmaterial einem kurzen Impuls hoher Stromdichte ausgesetzt werden, um die Kristallstruktur durch Schmelzen aufzubrechen, damit zumindest ein Teil der Phasenänderungsstruktur sich bei Umgebungstemperaturen in der amorphen Phase stabilisiert. Durch Steuern des jeweiligen Anteils der kristallinen und amorphen Phasen des Materials in einem Phasenänderungselement ist es möglich, mehrere Speicherzustände in dem Element einzurichten, einschließlich eines zurückgesetzten Zustands, der eine im Wesentlichen vollständig amorphe Phase des Materials umfasst, eines oder mehrerer Zwischenzustände, in denen Mischungen aus amorpher Phase und kristalliner Phase des Materials ausgebildet sind, und eines gesetzten Zustands, der eine im Wesentlichen vollständig kristalline Phase des Materials umfasst.The phase change between amorphous and crystalline phases is achieved by controlling the thermal energy to which the phase change material is exposed. For example, the phase change of the phase change material from the amorphous phase to the crystalline phase is achieved by heating it to a temperature between the glass transition temperature of the phase change material and the melting temperature. This is known as "setting" and occurs during relatively low current operation. The phase change from the crystalline phase to the amorphous phase, the so-called "reset", takes place during operation with a relatively high current, during which a melting of the phase change material takes place, followed by its rapid cooling to below its glass transition temperature at a rate that one Nucleation and the growth of crystallites are reduced or even prevented. For this purpose, the phase change material can be subjected to a short pulse of high current density in order to break the crystal structure by melting, so that at least part of the phase change structure stabilizes in the amorphous phase at ambient temperatures. By controlling the respective proportion of the crystalline and amorphous phases of the material in a phase change element, it is possible to set up multiple storage states in the element, including a reset state that comprises an essentially completely amorphous phase of the material, one or more intermediate states in which mixtures are formed from an amorphous phase and a crystalline phase of the material, and a set state comprising a substantially completely crystalline phase of the material.

Während einer Leseoperation wird das Phasenänderungsmaterial einem Leseimpuls ausgesetzt, um den Widerstand des Speicherelements zu bestimmen, der anzeigt, ob das Phasenänderungsmaterial in einem gesetzten Zustand, in einem zurückgesetzten Zustand oder in einem Zwischenzustand ist. Es ist jedoch wünschenswert, einen geeigneten Leseimpuls zu wählen, damit die jeweiligen Anteile der amorphen und kristallinen Phasen des Phasenänderungsmaterials während der Leseoperation nicht geändert werden.During a read operation, the phase change material is subjected to a read pulse to determine the resistance of the memory element, which indicates whether the phase change material is in a set state, a reset state, or an intermediate state. However, it is desirable to select a suitable read pulse so that the respective proportions of the amorphous and crystalline phases of the phase change material are not changed during the read operation.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Speichervorrichtung nach Hauptanspruch 1 und durch ein Verfahren zum Lesen einer Speicherzelle nach dem nebengeordneten Patentanspruch 7. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.The object of the invention is achieved by a memory device according to the main claim 1 and by a method for reading a memory cell according to the independent patent claim 7. Further developments of the invention are specified in the subclaims.

FigurenlisteFigure list

  • 1 ist ein Blockschaltbild einer integrierten Schalteinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. 1 Figure 3 is a block diagram of an integrated switch device in accordance with the present invention.
  • 2 ist eine schematische Teilansicht eines Speicherzellenfelds wie in 1 dargestellt. 2 FIG. 13 is a partial schematic view of a memory cell array as in FIG 1 shown.
  • 3 ist eine perspektivische Darstellung der Struktur eines Paares aus Speicherzellen, die sich für die Verwendung in dem Speicherzellenfeld von 2 eignet. 3 Fig. 13 is a perspective view showing the structure of a pair of memory cells which for use in the memory cell array of 2 suitable.
  • 4 ist ein Schaltplan einer Messarchitektur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 4th Figure 3 is a circuit diagram of a measurement architecture in accordance with an embodiment of the present invention.
  • 5 ist ein Zeitablaufdiagramm, das die relative Zeitsteuerung eines Lesefreigabesignals, eines Bitleitungsspannungssignals und eines Bitleitungslesestroms für vier verschiedene Datenzustände eines Phasenänderungselements für Ausführungsformen einer Messarchitektur wie in 4 dargestellt zeigt. 5 FIG. 13 is a timing diagram showing the relative timing of a read enable signal, a bit line voltage signal, and a bit line read current for four different data states of a phase change element for embodiments of a measurement architecture as in FIG 4th shown shows.
  • 6 ist ein Schaltplan einer Messarchitektur gemäß einer ersten alternativen Ausführungsform. 6th Figure 3 is a circuit diagram of a measurement architecture according to a first alternative embodiment.
  • 7 ist ein Schaltplan einer Messarchitektur gemäß einer zweiten alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 7th Figure 3 is a circuit diagram of a measurement architecture in accordance with a second alternative embodiment of the present invention.
  • 8 ist ein Schaltplan einer Messarchitektur gemäß einer dritten alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 8th Figure 3 is a circuit diagram of a measurement architecture in accordance with a third alternative embodiment of the present invention.
  • 9 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einer Änderung eines Spannungsabfalls über einem Phasenänderungselement und der Änderung des Widerstands desselben für verschiedene Leseströme zeigt 9 Fig. 13 is a graph showing a relationship between a change in a voltage drop across a phase change element and the change in resistance thereof for various read currents
  • 10 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen Zeit und Spannungsabfall über einem Phasenänderungselement für Phasenänderungselemente mit unterschiedlichem Widerstand zeigt. 10 Fig. 13 is a graph showing a relationship between time and voltage drop across a phase change element for phase change elements of different resistance.
  • 11 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen Zeit und Spannungsänderung für Bitleitungen unterschiedlicher Kapazität zeigt. 11th Fig. 13 is a graph showing a relationship between time and voltage change for bit lines of different capacities.
  • 12 ist ein Blockschaltbild für eine Verschaltung einer Speicherzelle, die in 2 dargestellt ist, gemäß einer vierten alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 12th is a block diagram for an interconnection of a memory cell shown in 2 is shown in accordance with a fourth alternative embodiment of the present invention.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

In 1 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild einer integrierten Schaltung 10 dargestellt, in der die vorliegende Erfindung implementiert werden kann. Die Schaltung 10 schließt ein Speicherzellenfeld 12 ein, das unter Verwendung von (nicht dargestellten) Phasenänderungs-Speicherzellen auf einem Halbleitersubstrat implementiert ist, wie nachstehend ausführlicher erörtert wird. Ein Wortleitungs-Decoder 14 kommuniziert elektrisch mit einer Vielzahl von Wortleitungen 16. Ein Bitleitungs-Decoder 18 kommuniziert elektrisch mit einer Vielzahl von Bitleitungen 20, um Daten aus den (nicht dargestellten) Phasenänderungs-Speicherzellen im Speicherzellenfeld 12 auszulesen bzw. in diese zu schreiben. Adressen werden auf einem Bus 22 zum Wortleitungs-Decoder und zu Treibern 14 und zum Bitleitungs-Decoder 18 geliefert. Leseverstärker und Dateneingabestrukturen in einem Block 24 sind über einen Datenbus 26 mit dem Bitleitungs-Decoder 18 verbunden. Daten werden über eine Dateneingabeleitung 28 von Eingabe/Ausgabe-Ports an der integrierten Schaltung 10 oder von anderen Datenquellen innerhalb oder außerhalb der integrierten Schaltung 10 zu Dateneingabestrukturen im Block 24 geliefert. Andere Schalteinrichtungen 30 können in der integrierten Schaltung 10 enthalten sein, beispielsweise ein Mehrzweckprozessor oder eine Sonderzweckschaltung oder eine Kombination von Modulen, die eine Ein-Chip-System-Funktionalität bereitstellen, die vom Speicherzellenfeld 12 unterstützt wird. Daten werden über eine Datenausgabe-Leitung 32 von den Leseverstärkern im Block 24 zu Eingabe/Ausgabe-Ports auf der integrierten Schaltung 10 oder anderen Datenbestimmungsorten innerhalb oder außerhalb der integrierten Schaltung 10 geliefert.In 1 Figure 3 is a simplified block diagram of an integrated circuit 10 in which the present invention may be implemented. The circuit 10 closes a memory cell array 12th one implemented using phase change memory cells (not shown) on a semiconductor substrate, as discussed in more detail below. A word line decoder 14th electrically communicates with a plurality of word lines 16 . A bit line decoder 18th electrically communicates with a plurality of bit lines 20th to read data from the phase change memory cells (not shown) in the memory cell array 12th to read out or to write in this. Addresses are on a bus 22nd to word line decoders and drivers 14th and to the bit line decoder 18th delivered. Sense amplifier and data input structures in one block 24 are via a data bus 26th with the bit line decoder 18th tied together. Data is received via a data entry line 28 of input / output ports on the integrated circuit 10 or from other data sources inside or outside the integrated circuit 10 to data entry structures in the block 24 delivered. Other switching devices 30th can in the integrated circuit 10 be included, for example a general purpose processor or a special purpose circuit or a combination of modules that provide a one-chip system functionality that is supported by the memory cell array 12th is supported. Data are sent via a data output line 32 from the sense amplifiers in the block 24 to input / output ports on the integrated circuit 10 or other data destinations inside or outside the integrated circuit 10 delivered.

Ein Controller 34, der in diesem Beispiel implementiert ist und der eine Vorspannungsanordnungs-Zustandsmaschine verwendet, steuert die Anlegung von Vorspannungs-Versorgungsspannungen 36, wie Lese-, Programmierungs-, Lösch-, Löschungsverifizierungs- und Programmierungsverifizierungs-Spannungen. Ein Controller 34 kann anhand einer Sonderzweckschaltung implementiert werden, wie sie in der Technik bekannt ist. In alternativen Ausführungsformen umfasst der Controller 34 einen Mehrzweckprozessor, der auf der gleichen integrierten Schaltung implementiert sein kann, um ein Computerprogramm zum Steuern der Funktionen der Vorrichtung auszuführen. In einer weiteren Ausführungsform kann eine Kombination aus einer logischen Sonderzweckschaltung und einem Mehrzweckprozessor zur Implementierung des Controllers 34 verwendet werden.One controller 34 , implemented in this example, which uses a bias array state machine, controls the application of bias supply voltages 36 such as read, program, erase, erase verify, and program verify voltages. One controller 34 can be implemented using special purpose circuitry as known in the art. In alternative embodiments, the controller comprises 34 a general purpose processor that may be implemented on the same integrated circuit to execute a computer program for controlling the functions of the device. In another embodiment, a combination of a special purpose logic circuit and a general purpose processor can be used to implement the controller 34 be used.

Wie in 2 dargestellt, schließt jede der Speicherzellen des Speicherzellenfeldes 12 einen Zugriffstransistor (oder eine andere Zugriffseinrichtung, wie eine Diode) ein, von dem vier als 38, 40, 42 und 44 dargestellt sind, sowie ein Phasenänderungselement, das als 46, 48, 50 und 52 dargestellt ist. Source-Anschlüsse jedes der Zugriffstransistoren 38, 40, 42 und 44 sind gemeinsam mit einer Source-Leitung 54 verbunden, die in einem Source-Leitungsabschluss 55 endet. In einer anderen Ausführungsform sind die Source-Leitungen der Auswahleinrichtungen nicht elektrisch verbunden, sondern können unabhängig voneinander gesteuert werden. Eine Vielzahl 16 von Wortleitungen, einschließlich von Wortleitungen 56 und 58, verläuft parallel in einer ersten Richtung. Die Wortleitungen 56 und 58 kommunizieren elektrisch mit einem Wortleitungs-Decoder 14. Die Gate-Anschlüsse von Zugriffstransistoren 38 und 42 sind mit einer gemeinsamen Wortleitung, beispielsweise einer Wortleitung 56, verbunden, und die Gate-Anschlüsse der Zugriffstransistoren 40 und 44 sind gemeinsam mit einer Wortleitung 58 verbunden. Eine Vielzahl 20 von Bitleitungen, einschließlich von Bitleitungen 60 und 62, weisen ein Ende auf, an dem Phasenänderungselemente 46 und 48 mit der Bitleitung 60 verbunden sind. Genauer ist das Phasenänderungselement 46 zwischen dem Drain-Anschluss des Zugriffstransistors 38 und die Bitleitung 60 geschaltet und ist das Phasenänderungselement 48 zwischen den Drain-Anschluss des Zugriffstransistors 48 und die Bitleitung 60 geschaltet. Ebenso ist das Phasenänderungselement 50 zwischen den Drain-Anschluss des Zugriffstransistors 42 und die Bitleitung 62 geschaltet, und ist das Phasenänderungselement 52 zwischen den Drain-Anschluss des Zugriffstransistors 44 und die Bitleitung 62 geschaltet. Es sei darauf hingewiesen, dass zur Vereinfachung der Erörterung vier Speicherzellen dargestellt sind und dass das Speicherzellenfeld 12 in der Praxis Milliarden solcher Speicherzellen aufweisen kann. Ebenso können andere Speicherzellenfeldstrukturen verwendet werden, z. B. könnte das Phasenänderungs-Speicherelement mit einem Source-Anschluss verbunden sein.As in 2 shown, each of the memory cells of the memory cell array closes 12th an access transistor (or other access device such as a diode), four of which are used as 38 , 40 , 42 and 44 are shown, as well as a phase change element shown as 46 , 48 , 50 and 52 is shown. Source terminals of each of the access transistors 38 , 40 , 42 and 44 are shared with a source line 54 connected in a source line termination 55 ends. In another embodiment, the source lines of the selection devices are not electrically connected, but can be controlled independently of one another. A multitude 16 of word lines, including word lines 56 and 58 , runs parallel in a first direction. The word lines 56 and 58 communicate electrically with a word line decoder 14th . The gate connections of access transistors 38 and 42 are with a common word line, for example a word line 56 , connected, and the gate Connections of the access transistors 40 and 44 are common to a word line 58 tied together. A multitude 20th of bit lines, including bit lines 60 and 62 , have one end at which phase change elements 46 and 48 with the bit line 60 are connected. More precisely is the phase change element 46 between the drain connection of the access transistor 38 and the bit line 60 switched and is the phase change element 48 between the drain connection of the access transistor 48 and the bit line 60 switched. Likewise is the phase change element 50 between the drain connection of the access transistor 42 and the bit line 62 switched, and is the phase change element 52 between the drain connection of the access transistor 44 and the bit line 62 switched. It should be noted that, to simplify the discussion, four memory cells are shown and that the memory cell array 12th can have billions of such memory cells in practice. Other memory cell array structures can also be used, e.g. B. the phase change memory element could be connected to a source connection.

Mit Bezug auf 3 wird eine Grundstruktur eines Beispiels für eine Implementierung von Zugriffstransistoren 38, 40, 42 und 44 und Phasenänderungselementen 46, 48, 50 und 52 in Speicherzellen des Speicherzellenfeldes 12 mit Bezug auf Zugriffstransistoren 38 und 40 und Phasenänderungselemente 46 und 48 erörtert. In diesem Beispiel werden Zugriffstransistoren 38 und 40 anhand von Standard-Halbleiterverfahren, wie sie für die Erzeugung von Schaltungen auf einem p-Halbleitersubstrat 64 verwendet werden, ausgebildet Zu diesem Zweck definiert ein n-Typ-Bereich 66 eine gemeinsame Source-Region, und n-Typ-Bereiche 68 und 70 definieren die Drain-Regionen von Zugriffstransistoren 38 bzw. 40. Polysiliziumschichten 72 und 74 bilden Wortleitungen 56 und 58 und definieren die Gate-Anschlüsse von Zugriffstransistoren 38 bzw. 40. Eine (nicht dargestellte) dielektrische Füllschicht ist über Polysiliziumschichten 72 und 74 ausgebildet. Die (nicht dargestellte) Füllschicht ist gemustert, und leitfähige Strukturen, einschließlich einer gemeinsamen Source-Leitung 78 und Kontaktstrukturen 80 und 82 sind ausgebildet. Das leitfähige Material kann Wolfram sein oder aus anderen Materialien und Kombinationen bestehen, die sich für die Kontakt- und Leitungsstrukturen eignen. In anderen Ausführungsformen kann die gemeinsame Source-Leitung eine vergrabene Diffusion mit einer Silicid-Schicht oder andere leitfähige Leitungsstrukturen umfassen. Die gemeinsame Source-Leitung 78 kommuniziert elektrisch mit dem Anschluss 66, der als Source-Region fungiert, und entspricht einer Source-Leitung 54 des Speicherzellenfeldes 12. Jede der Kontaktstrukturen 80 und 82 ist elektrisch mit Bereichen 68 bzw. 70 verbunden. Die (nicht dargestellte) Füllschicht, die gemeinsame Leitung 78 und die Kontaktstrukturen 80 und 82 weisen in dem dargestellten Beispiel eine im Allgemeinen plane Oberseite auf, die sich für die Ausbildung einer Elektrodenschicht 84 eignet.Regarding 3 becomes a basic structure of an example of an implementation of access transistors 38 , 40 , 42 and 44 and phase change elements 46 , 48 , 50 and 52 in memory cells of the memory cell array 12th with reference to access transistors 38 and 40 and phase change elements 46 and 48 discussed. This example uses access transistors 38 and 40 formed using standard semiconductor processes such as those used for producing circuits on a p-type semiconductor substrate 64. For this purpose, an n-type region 66 defines a common source region, and n-type regions 68 and 70 define the drain regions of access transistors 38 respectively. 40 . Polysilicon layers 72 and 74 form word lines 56 and 58 and define the gate connections of access transistors 38 respectively. 40 . A dielectric fill layer (not shown) is over polysilicon layers 72 and 74 educated. The fill layer (not shown) is patterned, and conductive structures, including a common source line 78 and contact structures 80 and 82 are trained. The conductive material can be tungsten or consist of other materials and combinations that are suitable for the contact and line structures. In other embodiments, the common source line may comprise a buried diffusion with a silicide layer or other conductive line structures. The common source line 78 communicates electrically with the connector 66 that functions as a source region and corresponds to a source line 54 of the memory cell array 12th . Any of the contact structures 80 and 82 is electric with areas 68 respectively. 70 tied together. The filler layer (not shown), the common line 78 and the contact structures 80 and 82 In the example shown, they have a generally planar upper side, which is suitable for the formation of an electrode layer 84 suitable.

Die Elektrodenschicht 84 weist Elektrodenelemente 86, 88 und 90 auf, die durch elektrisch isolierende Wände 92 und 94, die von einem elektrisch isolierenden Basiselement 96 ausgehen, gegeneinander isoliert sind. Das Basiselement 96 kann in der Ausführungsform der Struktur dicker sein als die Wände 92 und 94 und trennt das Elektrodenelement 88 von der gemeinsamen Source-Leitung 78The electrode layer 84 has electrode elements 86 , 88 and 90 on that by electrically insulating walls 92 and 94 held by an electrically insulating base element 96 go out, are isolated from each other. The basic element 96 may be thicker than the walls in the embodiment of the structure 92 and 94 and separates the electrode element 88 from common source line 78

Eine Dünnschichtbrücke 98 aus Speichermaterial, wie Ge2Sb2Te5 (GST) liegt über der Elektrodenschicht 84, und erstreckt sich vom Elektrodenelement 88 ausgehend über die Wand 92 (einschließlich des Elements 35A) hinweg, in einer Richtung weg vom Elektrodenelement 90 bis über das Elektrodenelement 86. Auf diese Weise definiert die Dünnschichtbrücke 98 ein Phasenänderungselement 46. Eine Dünnschichtbrücke 100 aus Speichermaterial, wie GST, liegt über der Elektrodenschicht 84, und erstreckt sich vom Elektrodenelement 88 ausgehend über die Wand 94 (einschließlich des Elements 35B) hinweg, in einer Richtung weg vom Elektrodenelement 86 bis über das Elektrodenelement 90. Auf diese Weise definiert die Dünnschichtbrücke 100 ein Phasenänderungselement 48.A thin film bridge 98 made of storage material such as Ge 2 Sb 2 Te 5 (GST) lies over the electrode layer 84 , and extends from the electrode member 88 starting over the wall 92 (including the element 35A) away, in a direction away from the electrode member 90 to over the electrode element 86 . This is how the thin film bridge defines 98 a phase change element 46 . A thin film bridge 100 made of storage material, such as GST, lies over the electrode layer 84 , and extends from the electrode member 88 starting over the wall 94 (including the element 35B) away, in a direction away from the electrode member 86 to over the electrode element 90 . This is how the thin film bridge defines 100 a phase change element 48 .

Eine dielektrische Füllschicht (nicht dargestellt) liegt über den Dünnschichtbrücken 98 und 100. Die (nicht dargestellte) dielektrische Füllschicht umfasst eine oder mehrere Schichten aus Siliziumdioxid, einem Polyimid, einem Siliziumnitrid oder anderen schützenden und dielektrischen Füllmaterialien. In Ausführungsformen sorgt die Füllschicht für eine thermische und elektrische Isolierung für die Dünnschichtbrücke 98 und die Dünnschichtbrücke 100. Ein Wolframkontakt 102 kommuniziert elektrisch mit dem Elektrodenelement 88. Eine gemusterte leitfähige Schicht 104, die Metall oder ein anderes leitfähiges Material umfasst, einschließlich von Bitleitungen in einer Speicherzellenfeldstruktur, liegt über der (nicht dargestellten) dielektrischen Füllschicht. Die gemusterte leitfähige Schicht 104 ist elektrisch mit dem Kontakt 102 verbunden, um den Zugriff auf die mit den Dünnschichtbrücken 98 und 100 implementierten Speicherzellen zu ermöglichen. Genauer ist der Drain-Anschluss des Zugriffstransistors 38 elektrisch mit dem Elektrodenelement 86 verbunden, das seinerseits über die Dünnschichtbrücke 98 elektrisch mit dem Elektrodenelement 88 verbunden ist. Ebenso ist der Drain-Anschluss des Zugriffstransistors 40 elektrisch mit dem Elektrodenelement 90 verbunden, das seinerseits über die Dünnschichtbrücke 100 elektrisch mit dem Elektrodenelement 88 verbunden ist. Das Elektrodenelement 88 ist elektrisch mit einer Bitleitung 60 verbunden. In dem schematischen Schaltplan in 2 ist das Elektrodenelement 88 an separaten Orten auf der Bitleitung 60 dargestellt. Es sei klargestellt, dass in anderen Ausführungsformen separate Elektrodenelemente für die separaten Speicherzellenbrücken verwendet werden können. Die Dünnschichtbrücken-Speicherelemente in der dargestellten Ausführungsform können in der Beispielsschaltung durch eine Reihe anderer Speicherelementstrukturen, einschließlich von säulenförmigen Speicherelementen zwischen Elektrodenelementen, herkömmlichen Bodenelektroden-Heizungstypelementen, die kleine Elektroden umfassen, die mit einem größeren Block aus Phasenänderungsmaterial verbunden sind, und sogenannten „Poren“-Zellen, in denen die Kontaktfläche zwischen einer Elektrode und dem Phasenänderungsmaterial in einer kleinen Pore in einer Zwischenschicht ausgebildet ist.A dielectric filler layer (not shown) overlies the thin film bridges 98 and 100 . The dielectric fill layer (not shown) comprises one or more layers of silicon dioxide, a polyimide, a silicon nitride, or other protective and dielectric fill materials. In embodiments, the filling layer provides thermal and electrical insulation for the thin-film bridge 98 and the thin film bridge 100 . A tungsten contact 102 electrically communicates with the electrode element 88 . A patterned conductive layer 104 , comprising metal or other conductive material, including bit lines in a memory cell array structure, overlies the dielectric fill layer (not shown). The patterned conductive layer 104 is electrical with the contact 102 connected to access those with the thin film bridges 98 and 100 to enable implemented memory cells. The drain connection of the access transistor is more precise 38 electrically with the electrode element 86 connected, in turn via the thin-film bridge 98 electrically with the electrode element 88 connected is. Likewise is the drain connection of the access transistor 40 electrically with the electrode element 90 connected, in turn via the thin-film bridge 100 electrically with the electrode element 88 connected is. The electrode element 88 is electrical with a bit line 60 tied together. By doing schematic circuit diagram in 2 is the electrode element 88 in separate locations on the bit line 60 shown. It should be made clear that in other embodiments separate electrode elements can be used for the separate memory cell bridges. The thin film bridge memory elements in the illustrated embodiment can in the example circuit by a number of other memory element structures, including columnar memory elements between electrode elements, conventional bottom electrode heater type elements comprising small electrodes connected to a larger block of phase change material, and so-called "pores" -Cells in which the contact area between an electrode and the phase change material is formed in a small pore in an intermediate layer.

Im Betrieb ist mit jedem Phasenänderungselement 46, 48, 50 und 52 ein Datenzustand assoziiert. Der Datenzustand kann durch Vergleichen der Bitleitungsspannung einer Bitleitung für eine ausgewählte Speicherzelle, die an einen Messknoten gekoppelt ist, mit einer geeigneten Bezugsspannung bestimmt werden. Die Bezugsspannung kann so eingerichtet werden, dass ein vorgegebener Bereich von Bitleitungs-Spannungspegeln einem logischen Wert „00“ entspricht, ein davon verschiedener Bereich von Bitleitungs-Spannungspegeln einem logischen Wert „01“ entspricht, ein davon verschiedener Bereich von Bitleitungs-Spannungspegeln einem logischen Wert „10“ entspricht und ein davon verschiedener Bereich von Bitleitungs-Spannungspegeln einem logischen Wert „11“ entspricht, um vier Zustände zu schaffen, die zwei Bits an Information entsprechen. In einer anderen Ausführungsform kann jede Anzahl von Zuständen größer zwei verwendet werden, um mehr als ein Bit an Information in der Speicherzelle zu speichern. Logische Werte der einzelnen Speicherzellen werden als Funktion der physikalischen Eigenschaften des Phasenänderungselements eingerichtet. Wie oben angegeben, kann der Widerstand jedes Phasenänderungselements 46, 48, 50 und 52 durch Steuern der relativen Anteile von amorphen und kristallinen Phasen des Materials am Volumen des Phasenänderungselements geändert werden. Genauer kann das Material, aus dem die Phasenänderungselemente 46, 48, 50 und 52 gebildet sind, so verändert werden, dass es in einer hochamorphen Phase, einer hochkristallinen Phase und in einer oder mehreren Zwischenformen, die Mischungen aus amorphen und kristallinen Phasen aufweisen, vorliegt. Der Ausdruck kristalline Phase wird verwendet, um eine im Vergleich zum amorphen Zustand relativ geordnete Struktur und einen geringeren elektrischen Widerstand zu bezeichnen. Is in operation with each phase change element 46 , 48 , 50 and 52 associated with a data state. The data state can be determined by comparing the bit line voltage of a bit line for a selected memory cell, which is coupled to a measurement node, with a suitable reference voltage. The reference voltage can be set up in such a way that a predetermined range of bit line voltage levels corresponds to a logical value “00”, a different range of bit line voltage levels corresponds to a logical value “01”, and a different range of bit line voltage levels corresponds to a logical value “10” corresponds to and a different range of bit line voltage levels corresponds to a logic value “11” in order to create four states corresponding to two bits of information. In another embodiment, any number of states greater than two can be used to store more than one bit of information in the memory cell. Logical values of the individual memory cells are established as a function of the physical properties of the phase change element. As stated above, the resistance of each phase change element can be 46 , 48 , 50 and 52 by controlling the relative proportions of amorphous and crystalline phases of the material in the volume of the phase change element. More precisely, the material from which the phase change elements 46 , 48 , 50 and 52 are formed, are changed so that it is present in a highly amorphous phase, a highly crystalline phase and in one or more intermediate forms which have mixtures of amorphous and crystalline phases. The term crystalline phase is used to denote a relatively ordered structure and a lower electrical resistance compared to the amorphous state.

In der hochamorphen Phase kommt es zu einem Spannungsabfall über den Phasenänderungselementen 46, 48, 50 und 52, der einem vorgegebenen Datenzustand, z. B. einer logischen „11“ oder einer logischen „00“ entsprechen kann. In der hochkristallinen Phase ist der Spannungsabfall über den Phasenänderungselementen 46, 48, 50 und 52 geringer als in der amorphen Phase, und dies kann einem Datenzustand entsprechen, der sich von dem Datenzustand, der mit der hochamorphen Phase assoziiert ist, unterscheidet. Es ist häufig erwünscht, Zwischenzustände zu haben, die mit den Phasenänderungselementen 46, 48 50 und 52 assoziiert sind. Dies wird dadurch erreicht, dass man die Phasenänderungselemente mit unterschiedlichen Verhältnissen von kristalliner zu amorpher Phase versieht. Infolgedessen weisen sowohl jede der Zwischenphasen als auch die hochamorphen und hochkristallinen Phasen unterschiedliche mit ihnen assoziierte Verhältnisse von kristallinem und amorphem Material, und daher auch unterschiedliche Widerstandsbereiche, die den verschiedenen Datenzuständen entsprechen, auf. Zu diesem Zweck werden in der Regel Dünnschichtbrücken 98 und 100 aus Chalcogeniden oder Chalcogenidlegierungen gebildet.In the highly amorphous phase there is a voltage drop across the phase change elements 46 , 48 , 50 and 52 , which corresponds to a predetermined data state, e.g. B. can correspond to a logical “11” or a logical “00”. In the highly crystalline phase is the voltage drop across the phase change elements 46 , 48 , 50 and 52 less than in the amorphous phase, and this may correspond to a data state that is different from the data state associated with the highly amorphous phase. It is often desirable to have intermediate states with the phase change elements 46 , 48 50 and 52 are associated. This is achieved by providing the phase change elements with different ratios of crystalline to amorphous phase. As a result, each of the intermediate phases, as well as the highly amorphous and highly crystalline phases, have different ratios of crystalline and amorphous material associated with them, and therefore different resistance ranges corresponding to the different data states. Thin-film bridges are usually used for this purpose 98 and 100 formed from chalcogenides or chalcogenide alloys.

Chalcogenide umfassen Verbindungen aus Chalcogen mit einem stärker elektropositiven Element oder Radikal, wobei man sich einig ist, dass Chalcogene beliebige der vier Elemente Sauerstoff (O), Schwefel (S), Selen (Se) und Tellur (Te), die einen Teil der Gruppe VI des Periodensystems der Elemente bilden, einschließen. Chalcogenidlegierungen umfassen Kombinationen aus Chalcogeniden mit anderen Materialien, wie Übergangsmetallen. Eine Chalcogenidlegierung enthält üblicherweise eines oder mehrere Elemente aus der Spalte sechs des Periodensystems der Elemente, wie Germanium (Ge) und Zinn (Sn). Häufig schließen Chalcogenidlegierungen Kombinationen mit einem oder mehreren von Antimon (Sb), Gallium (Ga), Indium (In) und Silber (Ag) ein. Viele auf Phasenänderung beruhende Speichermaterialien wurden in der technischen Literatur beschrieben, einschließlich der Legierungen: Ga/Sb, Ge/Sb, In/Sb, In/Se, Sb/Te, Ge/Te, Ge/Sb/Te, In/Sb/Te, Ga/Se/Te, Sn/Sb/Te, In/Sb/Ge, Ag/In/Sb/Te, Ge/Sn/Sb/Te, Ge/Sb/Se/Te und Te/Ge/Sb/S. In der Familie der Ge/Sb/Te-Legierungen kann ein großer Bereich von Legierungszusammensetzungen brauchbar sein. Die Zusammensetzungen können als TeaGebSb100-(a+b) charakterisiert werden.Chalcogenides comprise compounds of chalcogen with a more strongly electropositive element or radical, it being agreed that chalcogens are any of the four elements oxygen (O), sulfur (S), selenium (Se) and tellurium (Te) that are part of the group VI of the Periodic Table of the Elements. Chalcogenide alloys include combinations of chalcogenides with other materials, such as transition metals. A chalcogenide alloy usually contains one or more elements from column six of the Periodic Table of the Elements, such as germanium (Ge) and tin (Sn). Often, chalcogenide alloys include combinations with one or more of antimony (Sb), gallium (Ga), indium (In), and silver (Ag). Many phase change storage materials have been described in the technical literature, including the alloys: Ga / Sb, Ge / Sb, In / Sb, In / Se, Sb / Te, Ge / Te, Ge / Sb / Te, In / Sb / Te, Ga / Se / Te, Sn / Sb / Te, In / Sb / Ge, Ag / In / Sb / Te, Ge / Sn / Sb / Te, Ge / Sb / Se / Te and Te / Ge / Sb / S. A wide range of alloy compositions can be useful in the Ge / Sb / Te alloy family. The compositions can be characterized as Te a Ge b Sb 100- (a + b) .

Ein Forscher hat die am besten geeigneten Legierungen als solche beschrieben, die eine durchschnittliche Te-Konzentration in dem abgeschiedenen Material von deutlich unter 70%, in der Regel unter 60% und im Allgemeinen in einem Bereich von immerhin nur etwa 23% bis etwa 58% Te und am meisten bevorzugt etwa 48% bis 58% Te aufweisen. Ge-Konzentrationen lagen über etwa 5% und im Bereich von so wenig wie 8% bis etwa 30% in dem Material, wobei sie im Allgemeinen unter 50% blieben. Am stärksten bevorzugt lagen die Ge-Konzentrationen bei etwa 8% bis etwa 40%. Der Rest der Hauptbestandteilselemente in dieser Zusammensetzung war Sb. Diese Prozentanteile sind Atomprozentanteile, die insgesamt 100% der Atome der Bestandteilselemente ausmachen. Spezielle Legierungen, die von einem anderen Forscher bewertet wurden, schließen Ge2Sb2Te5, GeSb2Te4 und GeSb4Te7 ein ( Noboru Yamada „Potential of Ge-Sb-Te Phase-Change Optical Disks for High-Data-Rate Recording“, SPIE v. 3109, S. 28-37, 1997 ). Allgemeiner können ein Übergangsmetall, wie Chrom (Cr), Eisen (Fe), Nickel (Ni), Niob (Nb), Palladium (Pd), Platin (Pt) und Mischungen oder Legierungen davon mit Ge/Sb/Te kombiniert werden, um eine Phasenänderungslegierung zu bilden, die programmierbare resistive Eigenschaften aufweist.One researcher has described the most suitable alloys as having an average Te concentration in the deposited material of well below 70%, usually below 60% and generally in a range of as little as about 23% to about 58%. Te and most preferably have about 48% to 58% Te. Ge concentrations ranged above about 5% and ranged from as little as 8% to about 30% in the material, generally remaining below 50%. Most preferred were the Ge concentrations at about 8% to about 40%. The remainder of the main constituent elements in this composition was Sb. These percentages are atomic percentages that make up 100% of the atoms of the constituent elements as a whole. Specific alloys that have been evaluated by another researcher include Ge 2 Sb 2 Te 5 , GeSb 2 Te 4, and GeSb 4 Te 7 ( Noboru Yamada "Potential of Ge-Sb-Te Phase-Change Optical Disks for High-Data-Rate Recording", SPIE v. 3109, pp. 28-37, 1997 ). More generally, a transition metal such as chromium (Cr), iron (Fe), nickel (Ni), niobium (Nb), palladium (Pd), platinum (Pt), and mixtures or alloys thereof can be combined with Ge / Sb / Te to form a phase change alloy that has programmable resistive properties.

Ein Beispielsverfahren für die Ausbildung von Chalcogenidmaterial verwendet ein PVD-Sputtering- oder Magnetron-Sputtering-Verfahren mit Ar, N2 und/oder He usw. als Quellgas(e) bei einem Druck von 1 mTorr ~ 100 mTorr.An example method for the formation of chalcogenide material uses a PVD sputtering or magnetron sputtering method with Ar, N 2 and / or He etc. as the source gas (s) at a pressure of 1 mTorr ~ 100 mTorr.

Phasenänderungslegierungen können durch die Anlegung von elektrischen Impulsen aus einem Widerstandszustand in einen anderen Widerstandszustand geändert werden. Es wurde beobachtet, dass kürzere Impulse mit höherer Amplitude das Phasenänderungsmaterial eher in eine allgemein amorphe Phase ändern. Ein längerer Impuls mit niedrigerer Amplitude ändert das Phasenänderungsmaterial eher in eine allgemein kristalline Phase. Die Energie in einem kürzeren Impuls mit höherer Amplitude ist hoch genug, damit Bindungen der kristallinen Struktur aufgebrochen werden können, und kurz genug, um zu verhindern, dass die Atome sich wieder in einer kristallinen Phase ausrichten. Geeignete Impulsprofile, die speziell für eine bestimmte Phasenlegierung ausgelegt sind, können ohne unzumutbaren Versuchsaufwand bestimmt werden.Phase change alloys can be changed from one resistance state to another resistance state by the application of electrical pulses. It has been observed that shorter, higher amplitude pulses are more likely to change the phase change material to a generally amorphous phase. A longer, lower amplitude pulse is more likely to change the phase change material to a generally crystalline phase. The energy in a shorter, higher amplitude pulse is high enough to break bonds in the crystalline structure and short enough to keep the atoms from realigning themselves in a crystalline phase. Suitable pulse profiles that are specially designed for a certain phase alloy can be determined without unreasonable experimentation.

Das Lesen oder Schreiben aus einer bzw. in eine Speicherzelle des Speicherzellenfeldes 12 wird daher dadurch erreicht, dass eine geeignete Auswahlspannung an eine der Wortleitungen 56 oder 58 angelegt wird und eine der Bitleitungen 60 und 62 mit einer Stromquelle verbunden wird. Der Pegel und die Dauer des Stroms, der an eine der verbundenen Bitleitungen 60 und 62 angelegt wird, hängt von der ausgeführten Operation, z. B. einer Leseoperation oder einer Schreiboperation ab, wenn angenommen wird, dass eine logische „1“ der Datenzustand für eines der Phasenänderungselemente 46, 48, 50 und 52 ist. Die Änderung des Datenzustands, der mit einem der Phasenänderungselemente 46, 48, 50 und 52 assoziiert ist, in eine logische „1‟ würde die Kristallisierung eines gewünschten Teils des Volumens der Dünnschichtbrücke 98 erfordern. Der Wortleitungs-Decoder 14 würde die Versorgung der Wortleitung 56 mit einem geeigneten Spannungspegel, um einen Zugriffstransistor 38 zu aktivieren, ermöglichen. Der Bitleitungs-Decoder 18 würde die Zufuhr eines Stromimpulses zur Bitleitung 60 mit geeigneter Amplitude und Dauer, um die Temperatur der aktiven Region in der Dünnschichtbrücke 98 zwischen der Glasübergangstemperatur und der Schmelztemperatur des Materials, aus dem diese hergestellt ist, ausreichend zu erhöhen, um einen gewünschten Teil des Volumens der Dünnschichtbrücke 98 zu kristallisieren, ermöglichen. Dies würde das Phasenänderungselement 46 mit einem Datenzustand einer logischen „0“ assoziieren. Zu diesem Zweck ermöglicht der Bitleitungs-Decoder 18 die Zufuhr eines Stroms von geeigneter Stärke und Dauer, um die Temperatur der aktiven Region der Dünnschichtbrücke 98 über die Schmelztemperatur des Materials, aus dem sie gefertigt ist, zu erhöhen, während ihre schnelle Abkühlung ermöglicht wird, um eine Umkristallisierung der Dünnschichtbrücke 98 zu verhindern, während diese eine Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur erreicht. Die Zwischendatenzustände werden durch Variieren der Amplitude und/oder Dauer des Schreibimpulses, um ein gewünschtes Verhältnis von kristallinem Anteil zu amporphem Anteil in den einzelnen Phasenänderungselementen 46, 48, 50 und 52 zu erhalten, erreicht.Reading or writing from or into a memory cell of the memory cell array 12th is therefore achieved by having a suitable selection voltage on one of the word lines 56 or 58 is applied and one of the bit lines 60 and 62 is connected to a power source. The level and duration of the current flowing on one of the connected bit lines 60 and 62 depends on the operation being performed, e.g. B. a read operation or a write operation, if it is assumed that a logical “1” is the data state for one of the phase change elements 46 , 48 , 50 and 52 is. The change in the state of the data associated with one of the phase change elements 46 , 48 , 50 and 52 associated with a logical “1” would be the crystallization of a desired part of the volume of the thin-film bridge 98 require. The word line decoder 14th would supply the word line 56 with a suitable voltage level to an access transistor 38 to activate, enable. The bit line decoder 18th would be the supply of a current pulse to the bit line 60 with suitable amplitude and duration to the temperature of the active region in the thin film bridge 98 between the glass transition temperature and the melting temperature of the material from which it is made to increase sufficiently to increase a desired part of the volume of the thin-film bridge 98 to crystallize, allow. This would become the phase change element 46 associate with a data status of a logical "0". The bit line decoder enables this 18th the supply of a current of suitable magnitude and duration to control the temperature of the active region of the thin film bridge 98 about increasing the melting temperature of the material from which it is made, while allowing its rapid cooling, allowing recrystallization of the thin-film bridge 98 to prevent while this reaches a temperature below the glass transition temperature. The intermediate data states are created by varying the amplitude and / or duration of the write pulse to achieve a desired ratio of crystalline component to amorphous component in the individual phase change elements 46 , 48 , 50 and 52 to get achieved.

4 ist ein vereinfachtes Schema einer Messarchitektur zum Steuern der Gesamtenergie, die während eines Lesezyklus in eine Multibit-Zelle eingespeist wird, zu steuern. In dem vereinfachten Schema werden eine Zugriffseinrichtung und ein Phasenänderungselement für eine Speicherzelle durch einen Transistor 38, der mit einer Wortleitung 56 verbunden ist, bzw. durch einem variablen Widerstand 46 (welcher das Phasenänderungselement darstellt) modelliert. Die Bitleitungsschaltung wird durch das Widerstands/Kondensator-Netz 60 modelliert. Ein Bitleitungs-Decoder 18 dient dazu, als Antwort auf Adresssignale eine ausgewählte Bitleitung mit einem Messknoten zu verbinden. Der Messknoten 116 wird über einen Schalttransistor 112 mit einer Stromquelle 114 verbunden. Der Messknoten 116 ist auch mit dem Eingang eines Leseverstärkers 118 verbunden, der dazu dient, die Spannung des Messknotens mit einer Bezugsspannung VREF zu vergleichen, die von einer nicht dargestellten Bezugsspannungsschaltung angelegt wird, und um ein Datenausgangssignal DOUT zu erzeugen. Der Schalttransistor 112 wird von einer logischen Schaltung 110 gesteuert (in der Figur von einem UND-Gatter modelliert), die einen mit einem Lesefreigabesignal gekoppelten ersten Eingang 108, und einen mit dem Ausgang eines Detektors 121 gekoppelten zweiten Active-Low-Eingang aufweist. Der Eingang des Detektors 121 ist mit dem Messknoten 116 verbunden. Der Detektor 121 gibt ein logischen High-Pegel aus, wenn der Messknoten 116 seine Zünd- bzw. Auslösespannung kreuzt. Somit wird ein Stromimpuls von der Stromquelle 114 an einen Messknoten 116 angelegt und vom Messknoten 116 durch den Decoder 18 und die Bitleitungsschaltung 60 zu einer ausgewählten Speicherzelle 46 geliefert. Der Stromimpuls weist eine Stärke auf, die von der Stromquelle 114 gesteuert wird, und ist in Ausführungsformen der hierin beschriebenen Technik im Wesentlichen konstant. Der Stromimpuls weist eine Impulsbreite auf, die von der Logikschaltung 110 ansprechend auf das Lesefreigabesignal am Eingang 108, bei dem es sich um eine Ausgabe des Detektors 121 handelt, gesteuert wird. Ein Zeitablauf für den Betrieb der Messarchitektur von 4 ist in 5 dargestellt. Somit wird, wie in 4 und 5 dargestellt, während einer Leseoperation ein Lesestromimpuls IBL an die ausgewählte Bitleitung angelegt, der eine geeignete Amplitude und Dauer aufweist, um den Leseverstärker 118 in die Lage zu versetzen, eine Spannung auf der ausgewählten Bitleitung zu messen. Der Spannungspegel, der auf der ausgewählten Bitleitung vorhanden ist, hängt vom Widerstand des Phasenänderungselements der ausgewählten Speicherzelle und damit von dem mit diesem assoziierten Datenzustand ab. Beispielsweise wird ein Lesen eines Datenzustands, der mit dem Phasenänderungselement assoziiert ist, das vom Widerstand 46 modelliert wird, dadurch erreicht, dass man ein Steuersignal, wie ein Lesefreigabesignal 106, an einen Eingang 108 einer logischen 4th Figure 3 is a simplified schematic of a measurement architecture for controlling the total energy fed into a multibit cell during a read cycle. In the simplified scheme, an access device and a phase change element for a memory cell are provided by a transistor 38 , the one with a word line 56 connected, or by a variable resistor 46 (which represents the phase change element) is modeled. The bit line circuit is created by the resistor / capacitor network 60 modeled. A bit line decoder 18th serves to connect a selected bit line to a measurement node in response to address signals. The measuring node 116 is via a switching transistor 112 with a power source 114 tied together. The measuring node 116 is also with the input of a sense amplifier 118 connected, which is used to compare the voltage of the measuring node with a reference voltage V REF , which is applied by a reference voltage circuit, not shown, and to generate a data output signal D OUT. The switching transistor 112 is made by a logic circuit 110 controlled (modeled by an AND gate in the figure), which has a first input coupled to a read enable signal 108 , and one with the output of a detector 121 having coupled second active-low input. The entrance of the detector 121 is with the measuring node 116 tied together. The detector 121 outputs a logic high level when the measuring node 116 its ignition or release voltage crosses. Thus there is a current pulse from the power source 114 to a measuring node 116 applied and from the measuring node 116 through the decoder 18th and the bit line circuit 60 to a selected memory cell 46 delivered. The current pulse has a strength that is determined by the current source 114 is controlled, and is substantially constant in embodiments of the technique described herein. The current pulse has a pulse width determined by the logic circuit 110 in response to the read enable signal at the input 108 which is an output from the detector 121 acts, is controlled. A time lapse for the operation of the measurement architecture of 4th is in 5 shown. Thus, as in 4th and 5 shown, during a read operation, a read current pulse IBL is applied to the selected bit line, which has a suitable amplitude and duration to the sense amplifier 118 to enable it to measure a voltage on the selected bit line. The voltage level which is present on the selected bit line depends on the resistance of the phase change element of the selected memory cell and thus on the data state associated therewith. For example, reading a data state associated with the phase change element is obtained from the resistor 46 is modeled, achieved by having a control signal, such as a read enable signal 106 , at an entrance 108 a logical one

Schaltung 110 anlegt, und ebenso ein Wortleitungs-Adresssignal an einen Wortleitungs-Decoder 14 anlegt, um eine ausgewählte Wortleitung 56 anzusteuern, sowie ein Bitleitungs-Adresssignal an den Bitleitungs-Decoder 18 anlegt, um eine ausgewählte Bitleitung 60 mit dem Messknoten 116 zu verbinden. Ein Steuersignal 106 führt zu einer Aktivierung eines Schalttransistors 112, der eine Stromquelle 114 elektrisch mit dem Messknoten 116 verbindet. Ein Eingang eines Leseverstärkers 118 ist geschaltet, um eine Spannung am Messknoten 116 zu erfassen und um diese mit einer Bezugsspannung VREF zu vergleichen, um eine erforderliche Ausgabe an DOUT bereitzustellen, die einem Datenzustand des Phasenänderungselements 46 entspricht. Bei einer Multibit-Zelle wird die Bezugsspannung VREF durch Bezugsspannungs-Folgenbildungsschaltungen 119 geliefert, so dass sie in einer Abfolge von einem ersten Wert VREF1, der verwendet wird, um zwischen der Phase mit dem geringsten Widerstand und einer ersten Zwischenphase zu unterscheiden, einem zweiten Wert VREF2, der verwendet wird, um zwischen der ersten Zwischenphase und einer zweiten Zwischenphase zu unterscheiden, und einem dritten Wert VREF3, der verwendet wird, um zwischen der zweiten Zwischenphase und eine Phase mit dem höchsten Widerstand zu unterscheiden, gewechselt wird. Solche Folgenbildungsschaltungen 119 können anhand von Spannungsteilern und Schaltern unter der Steuerung einer Lesezustandsmaschine oder anhand von anderen Techniken implementiert werden. Der Detektor 121 weist in der dargestellten Ausführungsform ein normalerweise geringes Ausgangssignal auf, das auf einen hohen Pegel steigt, wenn der Messknoten 116 eine Auslösespannung erreicht. Wenn der Detektor 121 eine hohes Ausgangssignal erzeugt, wird der Schalttransistor abgestellt, wodurch die Stromquelle 114 vom Messknoten 116 getrennt wird, und der Lesezyklus wird beendet. In einer Ausführungsform arbeitet der Detektor 121 mit einem Auslösepegel, der geschaltet wird, um ihn an die Bezugsspannung anzupassen, die während des Lesezyklus angelegt wird, wie in 5 dargestellt ist. In einem Beispiel sind drei Detektoren parallel geschaltet mit jeweiligen Auslösepegeln und werden in der gleichen Abfolge aktiviert, in der die Bezugsspannung angelegt wird. Dabei arbeitet der Detektor mit Auslösepegeln, die sicherstellen, dass der Spannungsabfall über dem Phasenänderungselement, der während des Lesens stattfindet, niemals den Schwellenwert des Phasenänderungsmaterials im amorphen Zustand überschreitet.circuit 110 and also a word line address signal to a word line decoder 14th applies to a selected word line 56 and a bit line address signal to the bit line decoder 18th applied to a selected bitline 60 with the measuring node 116 connect to. A control signal 106 leads to activation of a switching transistor 112 having a power source 114 electrically with the measuring node 116 connects. One input of a sense amplifier 118 is connected to a voltage at the measuring node 116 and to compare it to a reference voltage VREF to provide a required output to DOUT which is a data state of the phase change element 46 is equivalent to. In a multi-bit cell, the reference voltage VREF is determined by reference voltage sequencing circuits 119 so that they are supplied in a sequence from a first value V REF1 , which is used to distinguish between the phase with the lowest resistance and a first intermediate phase, a second value V REF2 , which is used to distinguish between the first intermediate phase and a second intermediate phase, and a third value V REF3 , which is used to distinguish between the second intermediate phase and a phase with the highest resistance, is changed. Such sequencing circuits 119 can be implemented using voltage dividers and switches under the control of a read state machine or other techniques. The detector 121 has a normally low output signal in the illustrated embodiment, which rises to a high level when the measuring node 116 a release voltage is reached. When the detector 121 When a high output signal is generated, the switching transistor is turned off, reducing the power source 114 from the measuring node 116 is disconnected and the read cycle is ended. In one embodiment the detector operates 121 with a trigger level that is switched to match the reference voltage applied during the read cycle, as in FIG 5 is shown. In one example, three detectors are connected in parallel with respective trip levels and are activated in the same sequence that the reference voltage is applied. The detector operates with trigger levels that ensure that the voltage drop across the phase change element that occurs during reading never exceeds the threshold value of the phase change material in the amorphous state.

Ein Problem, das von der vorliegenden Erfindung überwunden wird, betrifft die Datenzustandskonsistenz der Phasenänderungselemente 46, 48, 50 und 52 in Anwesenheit des Lesestroms. Der Widerstand der Phasenänderungselemente 46, 48, 50 und 52 im Zwischenzustand kann sich in Anwesenheit eines Lesestroms ändern. Der Lesestrom kann in jedem Lesezyklus genug Wärme im Phasenänderungselement erzeugen, um zu bewirken, dass ein Teil der amorphen Region des Phasenänderungselements kristallisiert, wodurch der Widerstand des Phasenänderungselements herabgesetzt wird. Dies erfordert die Verwendung eines großen Spannungsbereichs für jeden Datenzustand, wodurch der Lesebereich verringert wird und in manchen Fällen bewirkt wird, dass die Zelle in einen anderen, nicht-gewollten Datenzustand wechselt. Die Wärme, die am Phasenänderungselement erzeugt wird, geht auf die Gesamtenergie zurück, der das Phasenänderungselement ausgesetzt wird. Die Energie ist die über die Zeit integrierte Leistung, der das Phasenänderungselement ausgesetzt wird. Daher wird sie vom Widerstand des Phasenänderungselements, der Stärke des Lesestroms und der Impulsbreite des Lesestroms bestimmt. Die angelegte Leistung wird durch die folgende bekannte Beziehung bestimmt: P = I 2 R ;

Figure DE102008018955B4_0001
und
wo P die Leistung in Watt ist, I der Strom in Ampere ist und R der Widerstand in Ohm ist. Es ist ersichtlich, dass die Leistung P, der die Phasenänderungselemente 46, 48, 50 und 52 ausgesetzt werden, quadratisch mit dem Strom zunimmt. Unter der Annahme einer konstanten Stromstärke bestimmen die Zeit, über welche die Phasenänderungselemente 46, 48, 50 und 52 dem konstanten Strom ausgesetzt werden, und der Widerstand der Elemente die Energiemenge, der die Phasenänderungselemente 46, 48, 50 und 52 ausgesetzt werden. Um die Energie zu steuern, der die Phasenänderungselemente 46, 48, 50 und 52 während eines Lesezyklus ausgesetzt werden, werden die Dauer und die Stärke des Stroms in der hierin beschriebenen Messarchitektur gesteuert.One problem that is overcome by the present invention relates to the data state consistency of the phase change elements 46 , 48 , 50 and 52 in the presence of the reading stream. The resistance of the phase change elements 46 , 48 , 50 and 52 in the intermediate state can change in the presence of a read current. The read current can generate enough heat in the phase change element in each read cycle to cause a portion of the amorphous region of the phase change element to crystallize, thereby lowering the resistance of the phase change element. This requires the use of a large voltage range for each data state, which reduces the read range and in some cases causes the cell to switch to a different, undesired data state. The heat generated on the phase change element is due to the total energy to which the phase change element is exposed. The energy is the power integrated over time to which the phase change element is exposed. Therefore, it is determined by the resistance of the phase change element, the strength of the read current and the pulse width of the read current. The applied power is determined by the following known relationship: P. = I. 2 R. ;
Figure DE102008018955B4_0001
and
where P is the power in watts, I is the current in amps, and R is the resistance in ohms. It can be seen that the power P, which the phase change elements 46 , 48 , 50 and 52 exposed, increases quadratically with the current. Assuming a constant current strength determine the time over which the phase change elements 46 , 48 , 50 and 52 be exposed to the constant current, and the resistance of the elements is the amount of energy that the phase change elements 46 , 48 , 50 and 52 get abandoned. To control the energy of the phase change elements 46 , 48 , 50 and 52 are suspended during a read cycle, the duration and magnitude of the current are controlled in the measurement architecture described herein.

Zu diesem Zweck ist die Stromquelle 114 in der dargestellten Ausführungsform als Konstantstromquelle ausgelegt. Die Konstantstromquelle liefert beispielsweise zur ausgewählten Bitleitung 1 Mikroampere Strom mit einer Fluktuation von nicht mehr als ±5%. Alternativ dazu kann die Stromquelle 5 Mikroampere Strom mit einer Fluktuation von nicht über ±5% liefern. Zusätzlich kann die Stromquelle 10 Mikroampere Strom mit einer Fluktuation von nicht über 5% liefern. Zu diesem Zweck kann die in 4 dargestellte Stromquelle einen Stromspiegel 214, der in 6 dargestellt ist, oder einen Feldeffekttansistor 314, der in 7 dargestellt ist und der so vorgespannt ist, dass er bei einer konstanten Stromquelle arbeitet, umfassen. Es sei darauf hingewiesen, dass jede andere Konstantstromquelle vorgesehen werden kann, einschließlich von Schaltungen, die JFETs und bipolare Transistorschaltungen umfassen, wie sie in der Technik bekannt sind. Die Stärke der Konstantstromquelle wird abhängig von den Eigenschaften der Speicherzelle, den Eigenschaften des Speicherzellenfeldes, den Geschwindigkeitsanforderungen für den Betrieb der Vorrichtung und anderen Design-Parametern ausgewählt. So weist in dieser Ausführungsform der Impuls des Lesestroms als Antwort auf das Lesefreigabesignal RE eine im Wesentlichen konstante Stärke 147 auf und endet als Antwort auf die Ausgabe des Detektors 121.For this purpose is the power source 114 In the embodiment shown, it is designed as a constant current source. The constant current source supplies to the selected bit line, for example 1 Microamps of current with a fluctuation of no more than ± 5%. Alternatively, the power source 5 Provide microamps of current with a fluctuation of no more than ± 5%. In addition, the power source 10 Provide microamps of current with a fluctuation of no more than 5%. For this purpose, the in 4th Current source shown is a current mirror 214 who is in 6th is shown, or a field effect transistor 314 who is in 7th and which is biased to operate at a constant current source. It should be understood that any other constant current source may be provided, including circuits including JFETs and bipolar transistor circuits as are known in the art. The strength of the constant current source is selected depending on the properties of the memory cell, the properties of the memory cell array, the speed requirements for the operation of the device and other design parameters. In this embodiment, the pulse of the read current in response to the read enable signal RE has an essentially constant strength 147 and ends in response to the output of the detector 121 .

Beispielsweise steigt während des Tastzyklus DC des Lesefreigabesignals 106, der in 5 dargestellt ist, das Bitleitungsspannungssignal 136 einer Bitleitung 60 am Messknoten 116, angezeigt durch die ansteigende Flanke 136, auf eine Amplitude an, die hierin als Stabilisierungsspannung 13 bezeichnet wird. Die Anstiegsdauer der ansteigenden Flanke des Spannungssignals 136 geht auf die Stärke des Stromimpulses im Lesezyklus, die physikalischen Parameter der Bitleitung 60 und den Widerstand des Phasenänderungselements zurück. Die Stabilisierungsspannung 138 auf der Bitleitung 60 ist so dargestellt, dass sie unter der Bezugsspannung VREF1 und somit unter einer Leseabschlussspannung VRT1 liegt, die den Detektor 121 für den gesamten Tastzyklus DC des Lesefreigabe-Steuersignals 106 steuert. Die Amplitude der Stabilisierungsspannung 138 bleibt unter der Leseabschlussspannung VRT1, da das Phasenänderungselement 46 in dem hochkristallinen Zustand mit dem geringeren Widerstand ist, was zu einem geringeren Spannungsabfall führt. Infolgedessen behält der Lesestromimpuls 147 des Lesesignals für die Dauer des Tastzyklus des Lesesteuersignals 106 einen konstanten Pegel bei.For example, the read enable signal rises during the duty cycle DC 106 who is in 5 shown is the bit line voltage signal 136 a bit line 60 at the measuring node 116 , indicated by the rising edge 136 , to an amplitude, which is referred to herein as the stabilization voltage 13th referred to as. The rise time of the rising edge of the voltage signal 136 depends on the strength of the current pulse in the read cycle, the physical parameters of the bit line 60 and the resistance of the phase change element. The stabilization tension 138 on the bit line 60 is shown to be below the reference voltage V REF1 and thus below a read termination voltage V RT1 that the detector 121 for the entire duty cycle DC of the read enable control signal 106 controls. The amplitude of the stabilization voltage 138 remains below the read termination voltage V RT1 as the phase change element 46 is in the highly crystalline state with the lower resistance, which leads to a lower voltage drop. As a result, the read current pulse keeps 147 of the read signal for the duration of the duty cycle of the read control signal 106 a constant level.

Die Zeitsteuerung für die Messung eines ersten Zwischenzustands ist mit Bezug auf den Graphen eines Bitleitungs-Spannungssignals 146 dargestellt. Dies entspricht dem Phasenänderungselement 46 in einem Zwischenzustand mit einem höheren Widerstand als eine Zelle in einer hochkristallinen Phase, aber einem relativ niedrigeren Widerstand als ein anderer Zwischenzustand. Wie in 5 dargestellt, weist das BitleitungsSpannungssignal 146 eine Spitzenspannung 148 auf, die größer ist als die Leseabschlussspannung VRT1. Bei Erreichen der ersten Leseabschlussspannung wird der Lesestromimpuls 150 beendet, so dass die Energiemenge, die der Speicherzelle zugeführt wird, während des Messen des Zwischenzustands beschränkt ist.The timing for the measurement of a first intermediate state is with reference to the graph of a bit line voltage signal 146 shown. This corresponds to the phase change element 46 in an intermediate state with a higher resistance than a cell in a highly crystalline phase, but a relatively lower resistance than another intermediate state. As in 5 shown, the bit line voltage signal 146 a peak voltage 148 which is greater than the read termination voltage V RT1 . When the first final reading voltage is reached, the reading current pulse is 150 ended, so that the amount of energy that is supplied to the memory cell is limited during the measurement of the intermediate state.

Die Zeitsteuerung für die Messung eines zweiten Zwischenzustands ist mit Bezug auf den Graphen der Bitleitungsspannung 170 dargestellt. Die Bitleitungsspannung 170 ist so dargestellt, dass sie während des Lesestromimpulses auf eine Spitzenspannung 172 über einer zweiten Leseabschlussspannung VRT2, die höher ist als die erste Leseabschlussspannung, hochläuft. Die zweite Leseabschlussspannung VRT2 wird ausgewählt, um sicherzustellen, dass der Messknoten 116 die zweite Bezugsspannung VRT2 übertrifft, um eine exakte Erfassung der Daten auf der Bitleitung zu ermöglichen. Es ist ersichtlich, dass das Hochlaufen der Bitleitungs-Spannung 170 bis zum Erreichen der Leseabschlussspannung VRT2 bewirkt, dass der Lesestrom 155 endet, bevor der Tastzyklus des Lesefreigabesignals endet, wodurch die Energiemenge, die während der Messung des zweiten Zwischenzustands zur Speicherzelle geliefert wird, begrenzt wird.The timing for the measurement of a second intermediate state is with reference to the graph of the bit line voltage 170 shown. The bit line voltage 170 is shown so that it reaches a peak voltage during the read current pulse 172 runs up through a second read termination voltage V RT2 that is higher than the first read termination voltage. The second read termination voltage V RT2 is selected to ensure that the measurement node 116 exceeds the second reference voltage V RT2 in order to enable an exact acquisition of the data on the bit line. It can be seen that the bit line voltage is ramping up 170 until the final reading voltage V RT2 is reached , the read current 155 ends before the duty cycle of the read enable signal ends, as a result of which the amount of energy which is supplied to the memory cell during the measurement of the second intermediate state is limited.

Die Zeitsteuerung für die Messung eines Zustands hoher Impedanz ist mit Bezug auf den Graphen der Bitleitungsspannung 175 dargestellt. Die Bitleitungsspannung 175 ist so dargestellt, dass sie während des Lesestromimpulses 176 hochläuft, bis sie eine dritte Leseabschlussspannung VRT3 erreicht. Die dritte Leseabschlussspannung VRT3 wird ausgewählt, um sicherzustellen, dass der Messknoten 116 die dritte Bezugsspannung VRT3 übersteigt, damit eine exakte Erfassung der Daten auf der Bitleitung möglich ist. Nach Erreichen der dritten Leseabschlussspannung wird der Lesestromimpuls 160 beendet, wodurch der Lesezyklus endet.The timing for the measurement of a high impedance condition is with reference to the graph of the bit line voltage 175 shown. The bit line voltage 175 is shown in such a way that it is during the read current pulse 176 runs up until it reaches a third read termination voltage V RT3 . The third read termination voltage V RT3 is selected to ensure that the measurement node 116 the third reference voltage V RT3 exceeds, so that an exact detection of the data on the bit line is possible. After reaching the third final reading voltage, the reading current pulse is 160 ended, ending the read cycle.

In einer alternativen Ausführungsform ist der Detektor 121 so konfiguriert, dass er nur die dritte Leseabschlussspannung VRT3 erfasst. In dieser alternativen Ausführungsform wird die Pulsbreite des Lesestroms trotzdem auf ähnliche Weise gesteuert. Das Messen des Zustands der Speicherzelle kann auf der Zeit basieren, wobei die Leseabschlussspannung VRT3 für Zustände höheren Widerstands schneller erreicht wird.In an alternative embodiment, the detector is 121 configured to detect only the third read termination voltage V RT3 . In this alternative embodiment, the pulse width of the read current is nevertheless controlled in a similar manner. Measuring the state of the memory cell can be based on time, with the Read termination voltage V RT3 is reached faster for higher resistance states.

8 zeigt eine alternative Ausführungsform der Messarchitektur, in der das Ausgangssignal des Leseverstärkers auf einer Leitung 120 zur logischen Schaltung 122 zurückgekoppelt wird, die verwendet wird, um den Schalttransistor 112 zu steuern. In der Ausführungsform von 8 wird die Funktion des Detektors, der in 4 dargestellt ist, vom Leseverstärker 118 erfüllt. Ansonsten sind die Implementierungen ähnlich. Somit wird, wie in 5 und 8 dargestellt, um die Zeit, zu der das Phasenänderungselement dem Lesestrom ausgesetzt wird, zu regeln, eine Rückkoppelungsleitung 120 verwendet, durch welche DOUT vom Leseverstärker 18 mit einer logischen Schaltung 122 verbundnen wird. Die Rückkoppelungsleitung 120 hat die Funktion, ein Leseabschlusssignal an die logische Schaltung 122 zu schicken. Das Leseabschlusssignal beendet die Steuerspannung zum Schalttransistor 112. Als Antwort darauf bewirkt die logische Schaltung 122 eine Beendigung des Impulses des Lesestroms auf der ausgewählten Bitleitung. 8th shows an alternative embodiment of the measurement architecture in which the output signal of the sense amplifier is on a line 120 to the logic circuit 122 is fed back, which is used to make the switching transistor 112 to control. In the embodiment of 8th the function of the detector in 4th is shown, from the sense amplifier 118 Fulfills. Otherwise the implementations are similar. Thus, as in 5 and 8th shown to regulate the time the phase change element is exposed to the sense current, a feedback line 120 used by what DOUT from the sense amplifier 18th with a logic circuit 122 is connected. The feedback line 120 has the function of sending a read completion signal to the logic circuit 122 to send. The read completion signal terminates the control voltage to the switching transistor 112 . In response to this, the logic circuit operates 122 termination of the pulse of the read current on the selected bit line.

Es sei klargestellt, dass ein minimaler Tastzyklus für den Lesestrom existiert, um den Datenzustand für eines der Phasenänderungselemente 46, 48, 50 und 52 exakt zu erfassen und um Lesegeschwindigkeitsbeschränkungen in einer Konstruktion gerecht zu werden. Beispielsweise ist es in einem stellvertretend genannten Beispiel gewünscht, dass der Spannungspegel, der am Messknoten 116 gemessen wird, sich für jegliche zwei Datenzustände um mindestens 50 Millivolt unterscheidet. Der Umfang der Widerstandsänderung, die in dem Phasenänderungselement nötig ist, um den Unterschied von 50 Millivolt zu ergeben, ist eine Funktion des Lesestroms. Mit Bezug auf das Diagramm von 9 zeigt der Spannungsabfall über dem Phasenänderungselement von ungefähr 50 Millivolt für einen Lesestrom von ungefähr 1 Mikroampere an, dass das Phasenänderungselement eine Änderung des Widerstands von ungefähr 50.000 Ohm durchgemacht hat. Erwartungsgemäß würde jedoch ein stärkerer Lesestrom, beispielsweise von 5 Mikroampere und 10 Mikroampere, wie im Diagramm von 9 dargestellt, einen geringeren Widerstand für eine Änderung von 50 Millivolt-Spannungsabfall über dem Phasenänderungselement erfordern. Bevor ein Zustand geringen Widerstands erfasst wird, muss jedoch ausreichend Zeit zur Verfügung stehen, um sicherzustellen, dass der Messknoten 116 eine Stabilisierungsspannung erreicht hat, d. h. eine Spannung, deren Stärke im Wesentlichen stabil ist. Dies hängt teilweise vom Lesestrom ab, ebenso wie vom Widerstand des Phasenänderungselements und daher vom Datenzustand des Phasenänderungselements. Wie mit der Kurve in 10 dargestellt, ist ersichtlich, dass es bei einem 5 Mikroampere-Lesestrom etwa 20 Nanosekunden dauert, bis eine Spannungsstabilisierung für das Phasenänderungselement von ungefähr 10.000 Ohm stattfindet. Bei einem Phasenänderungselement von ungefähr 20.000 Ohm dauert es fast 40 Nanosekunden, bis eine Spannungsstabilisierung stattfindet. Somit muss die Lesezyklusdauer, die in der oben beschriebenen Ausführungsform vom Lesefreigabesignal bestimmt wird, lang genug sein, damit die Zelle mit dem geringsten Widerstand gelesen werden kann.It should be made clear that a minimum duty cycle exists for the read current in order to determine the data state for one of the phase change elements 46 , 48 , 50 and 52 to capture exactly and to meet reading speed restrictions in a construction. For example, in a representative example, it is desired that the voltage level at the measuring node 116 is measured differs by at least 50 millivolts for any two data states. The amount of change in resistance required in the phase change element to make the 50 millivolts difference is a function of the read current. With reference to the diagram of 9 the voltage drop across the phase change element of approximately 50 millivolts for a read current of approximately 1 microamp indicates that the phase change element has undergone a change in resistance of approximately 50,000 ohms. As expected, however, a higher read current, for example 5 microamps and 10 microamps, as in the diagram of FIG 9 may require a lower resistance for a 50 millivolt change in voltage drop across the phase change element. However, before a low resistance condition is detected, sufficient time must be allowed to ensure that the sense node 116 has reached a stabilization voltage, ie a voltage the strength of which is substantially stable. This depends in part on the read current, as well as the resistance of the phase change element and therefore the data state of the phase change element. As with the curve in 10 It can be seen that with a 5 microampere read current, it takes about 20 nanoseconds for the phase change element to stabilize at about 10,000 ohms in voltage. For a phase change element of approximately 20,000 ohms, it takes nearly 40 nanoseconds for voltage stabilization to take place. Thus, the read cycle duration, which is determined by the read enable signal in the embodiment described above, must be long enough so that the cell with the lowest resistance can be read.

Wie in 4 dargestellt, kann die Bitleitung 60 durch eine RC-Schaltung modelliert werden, die eine Kapazität und einen Widerstand aufweist, die von einem Widerstand 126 und von einem Kondensator 128 dargestellt werden. 11 zeigt einen Graphen, in dem der Anstieg der Linien 230, 232 und 234 einem Lesestrom von etwa 5 Mikroampere entspricht, und demonstriert, dass eine Bitleitung mit einer Kapazität von 500 Femtofarad mindestens 10 Nanosekunden länger braucht, um eine Stabilisierungsspannung zu erreichen, als eine Bitleitung mit einer Kapazität von 300 Femtofarad, und mindestens fünfmal länger als eine Bitleitung mit einer Kapazität von 100 Femtofarad. Die Linien 236, 238 und 240 entsprechen einem Lesestrom von ungefähr 10 Mikroampere. Erwartungsgemäß zeigt sich, dass die Zeit für die Spannungsstabilisierung um so kürzer ist, je stärker der Lesestrom ist. Beispielsweise zeigt ein Vergleich der Linie 234 mit der Linie 240, dass eine Bitleitung mit einer Kapazität von 500 Femtofarad im Vergleich zu derjenigen eines 5 Mikroampere-Lesestroms eine Stabilisierungsspannung für einen 10 Mikroampere-Lesestrom in weniger als der halben Zeit erreicht. Dies trifft auch für Bitleitungen zu, die eine geringere Kapazität haben, wie durch einen Vergleich der Steigung der Linien 232 und 238 und der Steigung der Linien 230 und 236 ersichtlich.As in 4th shown, the bit line 60 be modeled by an RC circuit that has a capacitance and a resistance that is determined by a resistor 126 and from a capacitor 128 being represented. 11th shows a graph in which the slope of the lines 230 , 232 and 234 corresponds to a read current of about 5 microamps, and demonstrates that a bit line with a capacitance of 500 femtofarads takes at least 10 nanoseconds longer to reach a stabilization voltage than a bit line with a capacitance of 300 femtofarads, and at least five times longer than a bit line with a capacity of 100 femtofarads. The lines 236 , 238 and 240 correspond to a read current of approximately 10 microamps. As expected, it can be seen that the time for voltage stabilization is shorter, the stronger the read current. For example, a comparison of the line shows 234 with the line 240 that a bit line with a capacitance of 500 femtofarads compared to that of a 5 microampere read current reaches a stabilization voltage for a 10 microampere read current in less than half the time. This is also true for bit lines, which have a lower capacitance, as by comparing the slope of the lines 232 and 238 and the slope of the lines 230 and 236 evident.

12 zeigt ein Vergleichsbeispiel einer Messarchitektur zur Steuerung der Menge der Gesamtenergie, die während eines Lesezyklus an die Phasenänderungszelle angelegt wird. Das Vergleichsbeispiel aus 12 ist jedoch nicht von dem Wortlaut der Patentansprüche umfasst. In dem in 12 dargestellten Vergleichsbeispiel weisen Komponenten, die auch die Ausführungsform von 4 aufweist, gleiche Bezugszahlen auf. Somit werden eine Speicherzelle und eine Bitleitung durch die Komponenten 38, 46 und 60 modelliert. Ein Bitleitungs-Decoder 18 dient dazu, eine ausgewählte Bitleitung 62 mit einem Messknoten 116 zu verbinden. Die Stromquelle 114 liefert einen Leseimpuls durch den Schalttransistor 120 zum Messknoten 116. Die logische Schaltung 122 antwortet auf ein Lesefreigabesignal am Eingang 108 und auf ein Leseabschlusssignal auf der Leitung 220, um ein Steuersignal an das Gate des Schalttransistors 112 anzulegen. In der in 12 dargestellten Ausführungsform werden eine Vielzahl von Leseverstärkern 221, 222, 223 parallel betrieben, mit jeweiligen Bezugsspannungen VREF, VREF2 und VREF3 für eine Hochgeschwindigkeitsmessung. Ausgänge D1, D2 und D3 werden parallel an eine Logik (nicht dargestellt) angelegt, welche die mehreren Datenzustände in einer vermessenen Speicherzelle decodiert. Die Funktion des Detektors 121 von 4 wird durch Rückmelden der Ausgabe des Leseverstärkers 223 auf der Leitung 220 zur logischen Schaltung 122 bereitgestellt. Somit entspricht die Leseabschlussspannung für alle Datenzustände in der in 12 dargestellten Ausführungsform VREF3. 12th Figure 12 shows a comparative example of a measurement architecture for controlling the amount of total energy applied to the phase change cell during a read cycle. The comparative example from 12th however, it is not covered by the wording of the claims. In the in 12th The comparative example shown have components that are also the embodiment of 4th has the same reference numerals. Thus, a memory cell and a bit line are passed through the components 38 , 46 and 60 modeled. A bit line decoder 18th serves to select a selected bit line 62 with a measuring node 116 connect to. The power source 114 delivers a read pulse through the switching transistor 120 to the measuring node 116 . The logic circuit 122 responds to a read enable signal at the input 108 and for a read complete signal on the line 220 to send a control signal to the gate of the switching transistor 112 to put on. In the in 12th illustrated embodiment are a plurality of sense amplifiers 221 , 222 , 223 operated in parallel, with respective reference voltages V REF , V REF2 and V REF3 for a high speed measurement. Outputs D1 , D2 and D3 are applied in parallel to a logic (not shown) which decodes the multiple data states in a measured memory cell. The function of the detector 121 from 4th is by reporting back the output of the sense amplifier 223 on the line 220 to the logic circuit 122 provided. Thus, the read termination voltage for all data states in the in 12th illustrated embodiment V REF3 .

Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf ihre bevorzugten Ausführungsformen und oben ausgeführte Beispiele offenbart wird, sei klargestellt, dass diese Beispiele nur der Erläuterungen dienen sollen, aber nicht als Beschränkungen aufgefasst werden sollen. Es wird in Betracht gezogen, dass Modifikationen und Kombinationen für einen Fachmann nahe liegen, wobei diese Modifikationen und Kombinationen im Gedanken der Erfindung und im Bereich der folgenden Ansprüche liegen.Although the present invention is disclosed with reference to its preferred embodiments and examples set forth above, it should be understood that these examples are only intended to be illustrative and not to be construed as limitations. It is contemplated that modifications and combinations will be obvious to one skilled in the art, such modifications and combinations being within the spirit of the invention and within the scope of the following claims.

Claims (10)

Speichervorrichtung, die aufweist: eine Speicherzelle (46), die mit einer Bitleitung (60, 62) und einer Wortleitung (56, 58) verkoppelt ist und die ein Phasenänderungsmaterial (98, 100) aufweist, wobei die Speicherzelle einen ersten Zellzustand, in dem sie einen hohen Widerstand hat, mindestens einen zweiten Zellzustand, in dem sie einen mittleren Widerstand hat, und einen dritten Zellzustand in dem sie einen niedrigen Widerstand hat, aufweist, wobei der hohe Widerstand höher als der mittlere Widerstand ist und der mittlere Widerstand höher als der niedrige Widerstand ist; einen Leseverstärker (118), der einen Bezugseingang aufweist zum Empfangen einer Bezugsspannung (VREF) und der an einen Messknoten (116) gekoppelt ist, um eine Spannung am Messknoten (116) relativ der Bezugsspannung (VREF) zu erfassen; eine Schaltung zum Anlegen der Bezugsspannung (VREF) an den Bezugseingang, wobei die Bezugsspannung in einer Abfolge von einem ersten Wert (VREF1), der verwendet wird, um zwischen dem ersten Zellzustand und dem zweiten Zellzustand zu unterscheiden, und einem zweiten Wert (VREF3), der verwendet wird, um zwischen dem zweiten Zellzustand und dem dritten Zellzustand zu unterscheiden, gewechselt wird; eine Schaltung (18), um die Bitleitung (60, 62) selektiv in Signalkommunikation mit dem Messknoten (116) zu bringen; eine Stromquelle (114), um einen Lesestrom zu erzeugen; einen Schalter (112), der angekoppelt ist, um selektiv den Lesestrom an den Messknoten (116) anzulegen; und eine Schaltung (100, 112), die mit dem Schalter (112) verkoppelt ist zum Steuern der Länge eines Lesestrompulses, wobei die Schaltung (110, 112) ansprechend auf ein Erfassen einer Schwellspannung am Messknoten (116), den Schalter (112) derart ansteuert, dass die elektrische Verbindung der Stromquelle (114) mit dem Messknoten (116) beendet wird, damit sich der Widerstandszustand der Speicherzelle durch den Lesestrompuls nicht ändert, wobei die Schwellspannung derart geschaltet wird, dass sie der Bezugsspannung entspricht, die in einem Lesezyklus an den Bezugseingang angelegt wird.A storage device comprising: a memory cell (46) which is coupled to a bit line (60, 62) and a word line (56, 58) and which comprises a phase change material (98, 100), the memory cell having a first cell state in which it has a high resistance having at least a second cell state in which it has a medium resistance and a third cell state in which it has a low resistance, the high resistance being higher than the medium resistance and the medium resistance being higher than the low resistance; a sense amplifier (118) having a reference input for receiving a reference voltage (VREF) and coupled to a sense node (116) for sensing a voltage at the sense node (116) relative to the reference voltage (VREF); a circuit for applying the reference voltage (VREF) to the reference input, the reference voltage in a sequence of a first value (VREF1), which is used to distinguish between the first cell state and the second cell state, and a second value (VREF3) used to distinguish between the second cell state and the third cell state; circuitry (18) for selectively bringing the bit line (60, 62) into signal communication with the sense node (116); a current source (114) to generate a read current; a switch (112) coupled to selectively apply the read current to the sense node (116); and a circuit (100, 112) which is coupled to the switch (112) for controlling the length of a read current pulse, the circuit (110, 112), in response to a detection of a threshold voltage at the measuring node (116), the switch (112) in such a way controls that the electrical connection between the current source (114) and the measuring node (116) is terminated so that the resistance state of the memory cell does not change as a result of the read current pulse, wherein the threshold voltage is switched in such a way that it corresponds to the reference voltage which is applied to the reference input in a read cycle. Speichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schaltung einen Detektor, der mit dem Messknoten verkoppelt ist, um eine Spannung am Messknoten zu erfassen, und eine Logik aufweist, die bewirkt, dass der Schalter eine elektrische Kommunikation der Stromquelle mit dem Messknoten beendet, wenn die erfasste Spannung an dem Messknoten die Schwellspannung erreicht.Storage device according to Claim 1 wherein the circuit comprises a detector coupled to the measurement node to detect a voltage at the measurement node, and logic that causes the switch to terminate electrical communication of the power source with the measurement node when the detected voltage at the measurement node the threshold voltage is reached. Speichervorrichtung nach Anspruch 1 , wobei die Schaltung eine Logik aufweist, die auf ein Lesefreigabesignal anspricht, welches einen Beginn des Lesezyklus anzeigt, um den Schalter so zu steuern, dass dieser die Stromquelle selektiv in elektrische Kommunikation mit dem Messknoten bringt, wobei die Logik auf eine Ausgabe vom Leseverstärker anspricht, um zu bewirken, dass der Schalter die elektrische Kommunikation der Stromquelle mit dem Messknoten beendet.Storage device according to Claim 1 the circuit including logic responsive to a read enable signal indicative of a start of the read cycle to control the switch to selectively bring the power source into electrical communication with the sense node, the logic being responsive to an output from the sense amplifier to cause the switch to terminate electrical communication of the power source with the measurement node. Speichervorrichtung nach Anspruch 1 , wobei die Schaltung einen Detektor aufweist, der mit dem Messknoten verkoppelt ist, um eine Spannung am Messknoten zu erfassen, und eine Logik, die auf ein Lesefreigabesignal anspricht, das einen Beginn eines Lesezyklus anzeigt, um den Schalter so zu steuern, dass er die Stromquelle selektiv in elektrische Kommunikation mit dem Messknoten bringt, wobei die Logik auf eine Ausgabe vom Detektor anspricht, um den Schalter zu veranlassen, die elektrische Kommunikation der Stromquelle mit dem Messknoten zu beenden, wenn die erfasste Spannung an dem Messknoten die Schwellspannung erreicht.Storage device according to Claim 1 , the circuit comprising a detector coupled to the sense node to detect a voltage at the sense node and logic responsive to a read enable signal indicating the start of a read cycle to control the switch to operate the Selectively bringing the power source into electrical communication with the measurement node, the logic being responsive to an output from the detector to cause the switch to terminate electrical communication of the power source with the measurement node when the sensed voltage at the measurement node reaches the threshold voltage. Speichervorrichtung nach Anspruch 1 , wobei die Stromquelle einen Stromspiegel umfasst.Storage device according to Claim 1 wherein the current source comprises a current mirror. Speichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Stromquelle einen Feldeffekttransistor aufweist, der so vorgespannt ist, dass er als Konstantstromquelle wirkt.Storage device according to Claim 1 wherein the current source comprises a field effect transistor which is biased to act as a constant current source. Verfahren zum Lesen einer Speicherzelle (46), die mit einer Bitleitung (60, 62) und einer Wortleitung (56, 58) verkoppelt ist und die ein Phasenänderungsmaterial (46, 48, 50, 52) aufweist, wobei die Speicherzelle (46) einen ersten Zellzustand, in dem sie einen hohen Widerstand hat, mindestens einen zweiten Zellzustand in dem sie einen mittleren Widerstand hat, und einen dritten Zellzustand in dem sie einen niedrigen Widerstand hat, aufweist, wobei der hohe Widerstand höher als der mittlere Widerstand ist und der mittlere Widerstand höher als der niedrige Widerstand ist, und wobei das Verfahren umfasst: Koppeln der Speicherzelle (46) an einen Messknoten, durch selektives Herstellen einer Signalkommunikation der Bitleitung (60, 62) mit dem Messknoten (116); Anlegen eines Lesestroms an die Speicherzelle (46), um den Zellzustand zu lesen, wobei das Anlegen die Verbindung einer Stromquelle (114) mit dem Messknoten (116) einschließt; Erfassen einer Spannung am Messknoten relativ zu einer Bezugsspannung (VREF) durch einen Leseverstärker, wobei die Bezugsspannung in einer Abfolge von einem ersten Wert (VREF1), der verwendet wird, um zwischen dem ersten Zellzustand und dem zweiten Zellzustand zu unterscheiden, und einem zweiten Wert (VREF3), der verwendet wird, um zwischen dem zweiten Zellzustand und dem dritten Zellzustand zu unterscheiden, gewechselt wird; und Steuern der Länge eines Lesestrompulses, wobei das Steuern die Erfassung einer Spannung am Messknoten (116) und ansprechend auf ein Erfassen einer Schwellspannung am Messknoten (116) eine Trennung der Stromquelle (114) vom Messknoten einschließt, damit sich der Zellzustand der Speicherzelle durch den Lesestrompuls nicht ändert, wobei die Schwellspannung derart geschaltet wird, dass sie der Bezugsspannung entspricht, die in einem Lesezyklus an den Bezugseingang angelegt wird.A method for reading a memory cell (46) which is coupled to a bit line (60, 62) and a word line (56, 58) and which comprises a phase change material (46, 48, 50, 52), wherein the Memory cell (46) has a first cell state in which it has a high resistance, at least a second cell state in which it has a medium resistance, and a third cell state in which it has a low resistance, the high resistance being higher than the medium Resistance and the mean resistance is higher than the low resistance, and the method comprising: coupling the memory cell (46) to a sense node by selectively establishing signal communication of the bit line (60,62) with the sense node (116); Applying a read current to the memory cell (46) to read the cell state, the application including connecting a current source (114) to the sense node (116); Detection of a voltage at the measuring node relative to a reference voltage (VREF) by a sense amplifier, the reference voltage in a sequence of a first value (VREF1), which is used to distinguish between the first cell state and the second cell state, and a second value (VREF3), which is used to distinguish between the second cell state and the third cell state; and controlling the length of a read current pulse, wherein the controlling includes detecting a voltage at the measuring node (116) and, in response to detecting a threshold voltage at the measuring node (116), separating the current source (114) from the measuring node so that the cell state of the memory cell is through the Read current pulse does not change, the threshold voltage being switched in such a way that it corresponds to the reference voltage that is applied to the reference input in a read cycle. Verfahren nach Anspruch 7, wobei ferner eine Stärke des Stroms für eine vorgegebene Zeitdauer auf vorgegebene Pegelbereiche gesteuert wird.Procedure according to Claim 7 wherein a strength of the current is further controlled to predetermined level ranges for a predetermined period of time. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Stärke des Lesestrompulses derart gesteuert wird, dass eine Kristallisierung eines Volumens des Phasenänderungsmaterials in einem Maße, das eine Änderung eines von dem Widerstandszustand der Speicherzelle abgeleiteten Datenzustands zur Folge hätte, verhindert wird.Procedure according to Claim 7 wherein the strength of the read current pulse is controlled in such a way that crystallization of a volume of the phase change material to an extent that would result in a change in a data state derived from the resistance state of the memory cell is prevented. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Stärke des Lesestroms während des Lesens der Speicherzelle im Wesentlichen konstant gehalten wird.Procedure according to Claim 7 wherein the strength of the read current is kept essentially constant during the reading of the memory cell.
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